Често срещани грешки при надграждане на схемите за защита

Въведение

Модернизацията на схемите за защита в подстанции средно напрежение е сред най-техническите дейности по въвеждане в експлоатация в областта на електроенергийната система - и сред най-често неправилно изпълняваните. Релето се подменя, настройките се преизчисляват, тестът за пускане в експлоатация се преминава успешно и подстанцията се връща в експлоатация. Три месеца по-късно възниква повреда и защитата не работи правилно. Разследването разкрива, че релето е било перфектно специфицирано и правилно настроено - но токовите трансформатори, които го захранват, никога не са били преоценявани за съвместимост с новата схема на защита, а грешките при измерването, които са причинили отказа на защитата, са били налице още от първия ден на работа на обновената схема.

Директният отговор е следният: най-често срещаните и най-съществените грешки при модернизиране на схемите за защита не са грешки в настройката на релетата - те са грешки в измерването на токовите измервателни уреди, които възникват, тъй като инженерите третират съществуващата инсталация на токовите измервателни уреди като фиксиран, проверен вход към новата схема за защита, а не като компонент, който трябва да бъде преоценен, повторно тестван и потвърден спрямо изискванията за измерване на новото реле, характеристиките на натоварването и изискванията за преходни процеси, които почти винаги се различават от тези на заменяното реле.

За инженерите по защита на подстанции, ръководителите на проекти за модернизация на средно напрежение и екипите за въвеждане в експлоатация, отговорни за модернизацията на схемите за защита, това ръководство идентифицира всяка значителна грешка при измерването на CT, която се допуска по време на модернизацията на схемите за защита, и предоставя инженерната методология за предотвратяване на всяка от тях.

Съдържание

• Защо съществуващите КТ стават несъвместими при модернизиране на схемите за защита?
• Кои са най-опасните грешки при измерването на CT по време на обновяването на схемите за защита?
• Как правилно да се преоценят спецификациите на токозахранващите устройства за модернизация на защитните схеми за средно напрежение?
• Как да извършваме безопасна проверка на измерванията на CT по време на проекти за обновяване на схемата за защита под напрежение?
• Често задавани въпроси за грешките при измерването на CT при модернизиране на схемите за защита

Защо съществуващите КТ стават несъвместими при модернизиране на схемите за защита?

Предположението, че съществуващите токозахранващи устройства остават напълно съвместими с новото защитно реле, е фундаментална грешка при повечето проекти за модернизация на защитните схеми. То изглежда разумно - съотношението на токовите съединения не се е променило, първичният ток не се е променил и токовите съединения са преминали последния си тест за поддръжка. Това, което се е променило, е релето, а то определя измервателната среда, в която трябва да работи токоизправителят.

Всяко защитно реле представлява специфично натоварване за вторичната верига на ТТ. Всяко защитно реле има специфични изисквания за преходни процеси, които определят коефициента на ограничаване на точността (ALF) на CT, необходим за правилна работа при условия на повреда. Всяко защитно реле има специфичен измервателен алгоритъм - ефективна стойност, фазори с основна честота или откриване на пикове - който взаимодейства по различен начин с изкривяването на вторичната форма на вълната на КТ. Когато релето се променя, и трите параметъра се променят едновременно - и съществуващият ТТ може да не удовлетворява нито един от тях.

Основни технически параметри, които се променят при подмяна на защитно реле:

• Вторична тежест (VA): Съвременните цифрови защитни релета са с натоварване от 0,025-0,1 VA при 1 A на вторичната страна¹ - от десет до четиридесет пъти по-ниска от 1-5 VA на електромеханичните релета, които те заместват; това драстично намаляване на натоварването променя работната точка на ТТ върху кривата на възбуждане и може да доведе до неочаквано поведение на ТТ по време на повреди.
• Ограничаващ фактор на точността (ALF) изискване: Спецификацията на преходните процеси на новото реле определя минималния ALF на CT, необходим за правилна работа при максимален ток на повреда; ако ALF на съществуващия CT при натоварването на новото реле е по-нисък от изисквания, CT ще се насити, преди релето да вземе правилно решение за защита.
• Ефективна ALF при нова тежест: $ALF_{effective} = ALF_{rated} \ пъти (R_{CT} + R_{burden,rated}) / (R_{CT} + R_{burden,actual})$; намаляването на натоварването на релето от 5 VA на 0,1 VA драстично увеличава ефективната ALF - което звучи благоприятно, но може да доведе до работа на CT в неочаквана област на характеристиката на възбуждане.
• Съвместимост на алгоритъма за измерване: Електромеханичните релета реагират на ефективната стойност на формата на вълната на вторичния ток, включително всички хармоници и постояннотоковото отместване; цифрови релета извличат фазорите на основната честота чрез филтриране по Фурие² - вторичната форма на вълната на CT по време на повреда трябва да е съвместима със специфичния алгоритъм за филтриране на релето.
• Приложими стандарти: IEC 61869-2, IEC 60255-151, изисквания за диференциална защита на трансформатора (IEC 60255-187-1)

Ефективното изчисление на ALF разкрива критично и неинтуитивно следствие от замяната на електромеханичните релета с високо натоварване с цифрови релета с ниско натоварване:

$ALF_{effective} = ALF_{rated} \пъти \фрак{R_{CT} + R_{burden,rated}}{R_{CT} + R_{burden,actual}}$

За ТТ с номинална стойност 5P20 с Rct = 2 Ω и номинална тежест = 15 VA (15 Ω при 1 A):

• С оригинално електромеханично реле при 5 VA (5 Ω): $ALF_{effective} = 20 \times (2+15)/(2+5) = 48,6$
• С ново цифрово реле при 0,1 VA (0,1 Ω): $ALF_{effective} = 20 \times (2+15)/(2+0,1) = 161,9$

Токозахранващият елемент, който е работил при ALF 48,6 със старото реле, сега работи при ALF 161,9 с новото реле - далеч над коляното на кривата на възбуждане при условия на повреда, в област, в която преходното поведение на токозахранващия елемент е непредсказуемо и където вторичната форма на вълната може да съдържа значителни изкривявания, които филтърът на Фурие на цифровото реле не може да обработи правилно.

Кои са най-опасните грешки при измерването на CT по време на обновяването на схемите за защита?

Грешките при измерването на CT за надграждане на схемата за защита се разделят на две категории: грешки в спецификацията, допуснати по време на етапа на проектиране, които създават несъвместимост преди началото на инсталацията, и грешки при въвеждането в експлоатация, допуснати по време на изпълнението на надграждането, които внасят грешки в иначе правилно специфицираната система.

Грешка в спецификацията 1: приемане на съществуващата КТ без преоценка на ALF при ново натоварване

Най-често срещаната и най-опасна грешка в спецификацията. Инженерът по защита специфицира новото реле, изчислява настройките на новото реле и отбелязва, че съществуващото съотношение на ТТ е непроменено - след това приема съществуващото ТТ, без да преизчисли ефективната му ALF при натоварването на новото реле.

Последицата е, че при новото реле ТТ работи в драстично различна точка от характеристиката на възбуждане, отколкото при старото реле. В описания по-горе случай с цифрово реле с ниска натовареност, ТТ може да работи толкова над точката на коляното си по време на повреда, че формата на вторичния ток да е силно изкривена - да съдържа големи компоненти на постояннотоково отместване и хармонично съдържание, от които филтърът на Фурие на цифровото реле не може да извлече правилно основната фаза. Релето или не сработва, или сработва с неправилна синхронизация, или сработва по изкривената компонента на формата на вълната, а не по основната честота на тока на повредата.

Грешка в спецификацията 2: Несъответствие на ядрата на CT между функциите за защита

Обикновено токоизправителите за средно напрежение съдържат няколко жила - отделни жила за защитни и измервателни функции, а понякога и отделни жила за различни защитни функции. По време на обновяването на схемата за защита често се налага да се пренасочват ядрата на токоизправителите - например да се използва ядро, което преди това е било предназначено за защита от свръхток, за новата функция за диференциална защита.

Грешка при пренареждането на ядрото: диференциалната защита изисква съгласувани ядра на томографа с идентични грешки на съотношението и фазови премествания³ от двете страни на защитеното оборудване. Използването на ядро, предварително оптимизирано за защита от свръхток - с по-висок ALF и различна характеристика на възбуждане - от едната страна на диференциалната схема, докато от другата страна се използва стандартно измервателно ядро, създава постоянен диференциален ток при нормални условия на натоварване, който релето трябва или да ограничи, или да интерпретира погрешно като вътрешна повреда.

Грешка в спецификацията 3: Пренебрегване на историята на реманентността на CT по време на обновяването

Токоизправител, който е бил в експлоатация в продължение на няколко години в подстанция с история на повреди, е натрупал реманентен поток в сърцевината си. . реманентният поток измества работната точка на ТТ по неговата B-H крива - увеличавайки магнитния ток, увеличавайки грешката на съотношението и намалявайки ефективната ALF под номиналната стойност.⁴.

По време на обновяването на схемата за защита никога не се оценява състоянието на постоянния поток на съществуващия CT - тъй като стандартната процедура за пускане в експлоатация при подмяна на релето не включва размагнитване на CT и проверка на точността на съотношението. Новото реле се пуска в експлоатация срещу токоизправител, който може да работи с 60-70% от номиналния си ALF поради натрупана реманентност - състояние, което ще доведе до насищане на токоизправителя по-рано, отколкото очаква алгоритъмът за защита на новото реле.

Грешка в спецификацията 4: Неправилно изчисление на вторичното натоварване за ново кабелно трасе

Модернизацията на схемата за защита често включва преместване на релето за защита - от локално табло, разположено в непосредствена близост до разпределителното устройство, към централизирано табло за защита в отдалечена контролна зала или от реле, монтирано в табло, към цифрово реле, монтирано в шкаф, с различни места на клемите. Всяко преместване променя дължината на вторичния кабел и следователно съпротивлението на вторичната верига - което променя общото вторично натоварване и следователно ефективната ALF.

Сравнение: Грешки при измерването на КТ според тежестта на последствията

Тип грешка	Метод за откриване	Последици, ако не бъде открит	Тежест
ALF не се преизчислява при нова тежест	Анализ на кривата на възбуждане	Насищане на CT по време на повреда - отказ на защитата	Критичен
Пренасочване на ядрото за диференциална	Изпитване на баланса на първичното впръскване	Постоянен диференциален ток - неправилно функциониране	Критичен
Не е оценено остатъчното състояние	Изпитване на съотношението + размагнитване	Намалена ефективна ALF - забавена работа	Висока
Обременеността не е преизчислена за нов кабел	Вторично измерване на тежестта	Намаляване на ALF - насищане при по-нисък ток на повреда	Висока
Полярността не е проверена отново след ъпгрейд	Тест за полярност на първичното впръскване	Повреда на насочващото реле - неправилно решение за задействане	Критичен
Съотношението CT не е потвърдено след смяна на крана	Измерване на съотношението	Грешка в настройката на свръх/под тока - неправилно взимане	Висока

Случай на клиента - модернизация на подстанция средно напрежение 33 kV, завод за цимент, Северна Африка:
Инженер по защитата в завод за цимент се свързва с Bepto Electric, след като повреда в шината причинява катастрофална повреда на разпределително табло 33 kV - повреда, която би трябвало да бъде ограничена от релето за защита на шината, инсталирано като част от модернизацията на схемата за защита шест месеца по-рано. Разследването след повредата разкрива, че релето за защита на шините не е сработило по време на повредата. Проектът за модернизация е заменил оригиналните електромеханични свръхтокови релета с модерно цифрово реле за защита на шините, но не е преизчислил ефективната ALF на съществуващите токоизправители при натоварване на новото реле от 0,08 VA. Съществуващите токопреобразуватели, с номинал 5P20 и Rct 3 Ω, са имали ефективен ALF 187 при натоварване на новото реле - далеч над точката на коляното. По време на повредата на шината вторичната форма на вълната на CT е силно изкривена с големи компоненти на постояннотоковото отместване, които филтърът на Фурие на цифровото реле не може да обработи в рамките на работния си времеви прозорец. Релето не успява да извлече валиден фазомер на основната честота, преди вътрешният му часовник да нулира измервателния цикъл. Подмяната на токоизправителите с устройства, предназначени за приложения с ниско натоварване на цифровите релета - с контролиран ALF от 30 при действителното вторично натоварване - разреши повредата на защитата. Инженерът по защитата заяви: “Модернизирахме релето с най-модерната налична технология и в крайна сметка получихме по-лоши защитни характеристики от електромеханичните релета, които заменихме. Проблемът беше в КТ, а ние никога не го разгледахме, защото съотношението не се беше променило.”

Как правилно да се преоценят спецификациите на токозахранващите устройства за модернизация на защитните схеми за средно напрежение?

Правилната преоценка на КТ за модернизация на схемата за защита изисква структурирана четиристепенна методология, която третира съществуващия КТ като непроверен компонент, докато не се докаже, че е съвместим с новата схема за защита.

Стъпка 1: Определяне на нови изисквания за измерване на релето

Преди да оцените съществуващия CT, опишете напълно изискванията за интерфейса на CT на новото реле:

• Вторична тежест при номинален ток: Потърсете информация от техническата спецификация на производителя на релето - не номиналната тежест на релето, а действителното входно съпротивление при номиналния ток на вторичния токоизправител; съвременните цифрови релета представят 0,025-0,1 VA при 1 A, а не 1-5 VA, посочени като номинална тежест.
• Изисква се клас за точност на CT: Потвърдете дали новото реле изисква ТТ от клас P (5P или 10P) или клас PX (определен от напрежението в точката на коляното и тока на намагнитване) - много съвременни релета за диференциална и дистанционна защита определят изисквания за клас PX, на които съществуващите ТТ от клас P може да не отговарят.
• Коефициент на оразмеряване в преходни условия (Ktd): За релета със специфицирани изисквания за преходни процеси получете необходимата стойност Ktd от спецификацията на релето - тя определя минималната преходна способност на КТ, необходима за правилната работа на релето през първите няколко цикъла на тока на повредата.
• Алгоритъм за измерване: Потвърдете дали релето използва измерване на ефективна стойност, извличане на фазори с основна честота или откриване на пикове - всеки алгоритъм има различна чувствителност към изкривяването на вторичната форма на вълната на КТ при условия на повреда.

Стъпка 2: Преизчисляване на ефективната ALF при нова вторична тежест

Приложете формулата за ефективна ALF за всеки съществуващ CT в модернизираната схема за защита:

$ALF_{effective} = ALF_{rated} \пъти \фрак{R_{CT} + R_{burden,rated}}{R_{CT} + R_{burden,actual}}$

Къде:

• $R_{burden,actual}$ = входното съпротивление на релето + съпротивлението на вторичния кабел (двата проводника) + всяко друго последователно съпротивление във вторичната верига
• Сравняване на ALF_effective с изискваната ALF на новото реле - ако ALF_effective надвишава изискваната стойност с повече от 3 пъти, ТТ може да работи в непредсказуема област по време на условия на повреда; ако ALF_effective е под изискваната стойност, ТТ ще се насити, преди релето да вземе правилно решение за защита.

Стъпка 3: Проверка на разпределението на ядрото на CT за всяка функция за защита

• Съставяне на карта на съществуващите ядра на CT за нови функции за защита: Документирайте кое физическо ядро на CT е свързано към всеки вход на релето за защита в модернизираната схема
• Проверете дали класът на точност на ядрото съответства на функцията за защита: Защитни жила (5P, 10P, клас PX) за защитни релета; измервателни жила (клас 0,5, клас 1) за измерване на приходите - никога не използвайте измервателно жило за защитна функция в модернизирана схема.
• Проверете съответствието на диференциалното ядро на CT: За диференциална защита на трансформатор или шина потвърдете, че ядрата на токоизправителите от двете страни на защитаваното оборудване имат съвпадащи грешки на съотношението и фазови премествания - получете сертификати за фабрично изпитване на двата токоизправителя и ги сравнете.

Стъпка 4: Оценка на състоянието на CT и състоянието на остатъка

• Преглед на историята на събитията с неизправности: Получете записите на събитията на релейната защита за предходните 3-5 години; идентифицирайте всички събития на повреда, при които първичният ток на ТТ е надхвърлил 50% от номиналния ток на късо съединение - всяко такова събитие е потенциално събитие за натрупване на реманентност
• Извършете тест на кривата на възбуждане: Сравнете измерената крива на възбуждане с фабричния сертификат за изпитване; изместената точка на коляното или увеличеният магнетизиращ ток в точката на коляното потвърждават натрупването на реманентен поток.
• Извършете размагнитване, ако се потвърди реманентност: Размагнитване преди проверката на точността на съотношението - резултатите от теста за съотношението на CT, засегнат от реманентност, не са представителни за истинската производителност на CT в клас на точност.
• Извършете проверка на точността на съотношението след демагнетизиране: Потвърдете, че грешката на съотношението и фазовото преместване са в границите на класа на точност, преди да приемете CT за модернизираната схема за защита.

Сценарии на приложение

• Надграждане на електромеханично към цифрово реле за свръхток: Преизчисляване на ефективната ALF при ново натоварване на релето; проверка дали ALF_effective е в рамките на 2-5× изискваната ALF; оценка на историята на реманентността; задължителна повторна проверка на полярността на първичното инжектиране
• Добавяне на диференциална защита на трансформатора към съществуваща инсталация за CT: Проверка на съвместимостта с клас PX; извършване на тест за първично впръскване на диференциалния баланс на веригата; потвърждаване на грешките в съгласуваното съотношение на двойките токоизправители за високо и ниско напрежение
• Модернизация на защитата от разстояние на преносния фидер: Проверка на напрежението в точката на коляното на клас PX спрямо спецификацията на релето; преизчисляване на вторичното натоварване, включително новото маршрутизиране на кабела до панела на отдалеченото реле; потвърждаване на съответствието с Ktd
• Добавяне на защита на шините: Проверете дали всички ядра на ТТ на шините имат съвпадащи характеристики; изчислете коефициента на стабилност за условия на повреда; проверката на стабилността на първичното впръскване е задължителна преди включване на захранването

Как да извършваме безопасна проверка на измерванията на CT по време на проекти за обновяване на схемата за защита под напрежение?

Стъпки за проверка на безопасното измерване на CT

1. Късо съединение на вторичните вериги на ТТ преди всяко изключване на релето: Преди да изключите която и да е вторична верига на CT от съществуващото реле, поставете къси съединения на вторичните клеми на CT или на тестовия клемник - Вторичната отворена верига на CT при първичен ток създава смъртоносно високо напрежение⁵; късото съединение трябва да предхожда всяко изключване на клемите на релето
2. Проверете целостта на късата връзка при натоварване: След като приложите късо съединение, потвърдете, че през късото съединение протича вторичен ток с помощта на амперметър - късо съединение, което изглежда свързано, но има разхлабен контакт, представлява скрита опасност от отворена верига.
3. Извършете проверка на съотношението и полярността преди свързването на релето: След като новото реле е инсталирано, но все още не е свързано към вторичната верига на ТТ, извършете проверка на съотношението на първичното впръскване и полярността - потвърдете, че ТТ подава правилния вторичен ток в правилната посока, преди да се свържете към новото реле.
4. Проверете вторичното натоварване при свързано ново реле: Измерване на общото натоварване на вторичната верига при включено ново реле; сравняване с номиналното натоварване на КТ; потвърждаване, че ефективното изчисление на ALF съответства на измереното натоварване
5. Извършете тест за функционална защита, преди да премахнете късите връзки: След като новото реле е свързано и вторичната верига на КТ е завършена, извършете функционален тест на релето за вторично впръскване - потвърдете правилната работа, правилното време и правилната работа на изходния контакт, преди да отстраните късите връзки на първичната верига и да се върнете в експлоатация.

Често срещани грешки по отношение на безопасността по време на обновяването на схемите за защита

• Премахване на вторичните къси съединения на CT преди да е завършено повторното свързване на релето: Най-опасната грешка при пускане в експлоатация - дори кратък период с отворена вторична верига на токоизправителя, докато тече първичен ток, създава опасност от високо напрежение в отворената клема; поддържайте къси съединения, докато цялата вторична верига не бъде проверена като непрекъсната.
• Извършване на тест за вторично впръскване, без да се провери непрекъснатостта на вторичната верига на CT: Вторичното впръскване изпитва релето изолирано - то не предоставя информация за целостта на вторичната верига на CT; положителният резултат от вторичното впръскване не дава право за отстраняване на вторичните къси съединения на CT без проверка на първичното впръскване.
• Пропускане на повторна проверка на полярността след обновяване на схемата за защита: Всяка модификация на вторичната верига на токоизправителя - нов кабел, нов клемния блок, ново разпределение на клемите на релето - създава възможност за обръщане на полярността; полярността трябва да се проверява отново чрез първично инжектиране след всяка модификация на схемата за защита, а не да се приема от предишния протокол за въвеждане в експлоатация.
• Енергийно захранване на модернизираната схема за защита без поетапно изпитване за повреда: Когато условията на работа на мрежата позволяват, поетапното изпитване за повреда - умишлено създаване на повреда в защитената верига при контролирани условия - е единственият метод, който проверява цялата схема за защита, включително работата на токоизправителя при действителни условия на ток на повреда.

Заключение

Модернизацията на схемите за защита създава несъвместимост на измерванията на CT, която е невидима при тестването на релетата, невидима при стандартните процедури за пускане в експлоатация и невидима при проверката на табелката, но напълно видима при неспособността на системата за защита да работи правилно, когато подстанцията изпита първата си реална повреда след модернизацията. Грешките, които причиняват тези неизправности, са последователни, предвидими и напълно предотвратими: неизчисляване на ефективната ALF при натоварването на новото реле, неизчисляване наново на разпределението на ядрата на CT за новите функции на защитата, неизчисляване и коригиране на реманса на CT, натрупан през годините на експлоатация, и неизчисляване наново на полярността и точността на съотношението след модификации на вторичните вериги. При модернизирането на схемите за защита на средно напрежение CT не е пасивен компонент, който може да бъде наследен от предишната схема без нова оценка - той е активно измервателно устройство, чиято съвместимост с новото реле трябва да бъде доказана чрез изчисления, изпитвания и проверка на първичното впръскване, преди да се повери модернизираната схема за защита да защити подстанцията и работещия в нея персонал.

Често задавани въпроси за грешките при измерването на CT при модернизиране на схемите за защита

1. “IEC 60255-1: Измервателни релета и защитно оборудване”, https://webstore.iec.ch/publication/5969. Обсъжда техническите спецификации и типичните натоварвания на цифровите защитни релета. Роля на доказателството: статистическо; Тип на източника: стандартен. Подкрепя: съвременни спецификации за тежестта на цифровите релета. ↩

2. “Извличане на фазори с основна честота в цифрови релета”, https://ieeexplore.ieee.org/document/6662447. Анализира алгоритмите за филтриране по Фурие, използвани за изолиране на сигнали с основна честота при преходни условия на повреда. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: изследване. Подкрепя: възможности за цифрово филтриране на релета. ↩

3. “IEEE C37.110-2007 - Ръководство на IEEE за приложение на токови трансформатори, използвани за целите на защитните релета”, https://standards.ieee.org/ieee/C37.110/4143/. Подробно описание на изискването за съгласуване на ядрата на CT в диференциалните схеми. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: стандартен. Подкрепя: изисквания за съгласуване на CT в диференциалната защита. ↩

4. “Влияние на реманентния поток върху работата на токовия трансформатор”, https://ieeexplore.ieee.org/document/8782013. Анализира как реманентният поток влияе върху кривата B-H и намалява лимитиращия фактор за точност. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: изследване. Подкрепя: реманентност, която измества работната точка на КТ. ↩

5. “OSHA 1910.269 - Производство, пренос и разпределение на електрическа енергия”, https://www.osha.gov/laws-regs/regulations/standardnumber/1910/1910.269. Описва опасностите за безопасността и разпоредбите относно отворените вторични вериги на токовите трансформатори. Evidence role: general_support; Source type: government. Подкрепя: смъртоносно високо напрежение от отворени вторични вериги на ТТ. ↩